分子篩脫水工藝
目前氣工業用的脫水吸附器主要是固定床吸附塔,為保證裝置連續操作,至少需要兩個吸附塔。分子篩工藝一般分為兩塔流程、三塔或多塔流程。在兩塔流程中,一塔進行脫水操作,另一塔進行吸附劑的和冷卻,然后切換操作。在三塔或多塔流程中,受進料條件等因素影響切換程序可以有多種選擇,例如三塔流程可采用一塔吸附、一塔、另一塔冷卻或二塔吸附、一塔及冷卻的切換程序。
兩塔流程
兩塔流程由裝填有分子篩的兩個塔組成,假設塔2在進行干燥,塔1在進行。在期間,所有被吸附的物質通過加熱而被脫吸,為該塔的下一個吸附周期作準備。
濕原料氣一般經原料氣過濾分離器,攜帶的液滴后自上而下地進入分子篩脫水塔(塔2),進行脫水吸附過程。脫除水后的干氣一般經產品氣粉塵過濾器分子篩粉塵后,作為本裝置產品氣輸送出去。
由兩部分組成加熱與冷卻。在加熱期間,氣由氣加熱器加熱到200~315e后,自下而上地進入分子篩脫水塔(塔1),進行分子篩過程。分子篩脫水塔(塔1)頂出來的氣經過氣冷卻器冷卻后,再進入氣分離器分離出凝液,之后氣可返回到濕原料氣中,也可摻入產品氣中,還可進入工廠燃料氣系統中。一旦分子篩床層被完全后,氣將走氣加熱器旁通,進入分子篩脫水塔(塔1)以使床層冷卻下來,當冷吹氣流出口溫度低于50e時,冷卻過程即可停止。
三塔或多塔流程
分子篩脫水裝置的設計要素之一是塔的個數,多數大規模的氣分子篩脫裝置采用兩個以上的塔才是佳和經濟的。采用三塔或多塔的方式有:兩塔平行吸附操作,三個塔和冷卻
如圖1所示三塔,塔1、塔2內的陰影區表示在床層或部分床層上吸附水的過程,在陰影區中床層基本上被水飽和,而在陰影區以下,分子篩可吸附多的水。陰影區的底部表示吸附區前端隨著時間而向下移動通過整個床層。床層1的吸附前端低于床層2,因為床層1通過氣流的時間長,當這個前端的到達出口時,床層切換為,而床層2和床層3進行吸附,這樣任何時候均有兩個脫水塔處于不同程度的飽和狀態,當床層2準備時,床層1必須準備好返回到吸附態。
圖1 三塔流程
三塔吸附的操作程序是:
1和2,2和3,1和3,1和2,,無次。類似的安排可用于四個塔,在同一時問有三個塔處于吸附。顯而易見,流動安排影響到周期的選擇。
對上述兩塔平行吸附操作,三個塔和冷卻的切換程序,適用于時間相對較短,進料氣含水量很低的場合。
一塔吸附、一塔加熱、一塔冷卻這種流程常用于短周期的裝置或者需要同時脫除C5+和水的輕烴回收裝置。在這類裝置里,吸附周期有時少于1h,這樣一來,就沒有足夠的時間在一個塔的期間去完成加熱和冷卻過程,因而需要分別在兩個塔內完成。
各種工藝流程均有自己的優缺點,可根據各種工藝方案的設備投資、氣用量和操作費用等方面進行比較,以選擇佳工藝流程和操作周期。
裝置操作參數
1、吸附操作
操作溫度
為使分子篩能保持高濕容量,原料氣溫度不宜高于50e,但也不能低于其水合物形成溫度。
2、操作壓力
壓力對分子篩濕容量影響甚微,主要由輸氣管道壓力決定。但是操作過程中應避免壓力波動，如果脫水塔放空太急,床層截面會產生局部氣速過高,引起床層移動和摩擦,甚至分子篩顆粒會被氣流夾帶出塔。
3、分子篩使用壽命
分子篩使用壽命一般為3~5a,其使用壽命主要取決于原料氣的氣質、吸附和過程的操作情況等。
為上游裝置的緩蝕劑、胺類及其他液體、固體雜質隨原料氣進入吸附器床,所以必須充分重視原料氣的分離和過濾。從而要延長分子篩的使用壽命。
操作周期操作周期通常采用8h,也可采用16h和24h。
原料氣流向吸附操作時塔內氣體流速大,塔內氣體從上向下流動。吸附操作時可允許較大的流速但不能造成分子篩床層擾動。
4、加熱操作
氣來源氣來源主要有以下幾種:
a.原料氣。當用原料氣作為氣時,在冷卻期會涉及到床層一定程度的再飽和,制了床層的有效能力,并且如果是向上流動冷卻,則脫除水后的氣可達到的水露點小。適用于脫水不很高的場合。
b.脫水后的產品干氣。
c.工廠其它裝置的干凈化氣。
加熱方式加熱有熱載體加熱、加熱爐加熱和電加熱這三種加熱方式。采用何種方式應考慮各種因素,對大型連續加熱的流程,加熱爐有優勢,電加熱和熱載體加熱的操作控制靈活,間斷加熱有優勢。
5、溫度
溫度主要取決于使用的分子篩和被脫吸物質的性質,一般為200~315e。使用較高的
溫度可提高后分子篩的濕容量,但會縮短其有效使用壽命。
6、壓力
降壓
低壓氣有較高的攜水能力,并且對于相同質量流率有較高的氣速度通過床層,這就使得與高壓相比氣流量較低。低壓時,切換程序必須考慮系統壓力與床層壓力相平衡的問題,以避免切換時由于氣流的劇烈流動而對分子篩床層造成損壞。
不降壓
如果允許的話氣可直接摻入產品氣中,而且由于和吸附壓力幾乎相同,切換程序不必考慮系統壓力與床層壓力相平衡的問題。
氣流量氣流量通常為總處理量的5%~15%,由具體操作條件而定。氣流量應足以保證在規定時間內將分子篩的溫度提高到規定的溫度。
7、需要的時間
使吸附器出口氣體溫度達到預定的溫度所需的時間約為總周期時間的1/2~5/8,若采用吸附周期為8h,對于雙塔流程,則加熱吸附床層時間約為4.5h,冷卻床層時間約為3h,備用與切換時間約為0.5h[4]。
8、氣流向
氣體從下向上流動
一方面可以脫除靠近進口端被吸附的污染物質,并且不使其流過床層;另外,還可使床層底部分子篩得到完全,因為床層底部是濕原料氣吸附干燥過程后接觸的部位,直接影響流出床層的干氣的質量。時氣體采用和吸附操作時相反的流向會增加切換閥門和配管。
氣體由上至下的流動
在短周期操作時,由于床層上部脫附的水有助于床層下部烴類的脫附,故時氣體一般采用與吸附操作時相同的流向。
9、冷卻操作
冷卻氣流量冷卻氣流量通常與氣流量相同。
10、冷卻氣流向
氣體從上向下流動
如果冷卻氣含水,好采用此種流動方式,以使冷凝下來的水留在床層頂部,這樣,在吸附周期水分就不會對干燥后的氣水露點產生過大影響。
氣體從下向上流動
如果冷卻氣不含水,可采用該種流動方式,這樣可節省兩個開關閥(利用未加熱的氣)。
11、冷卻終溫
冷卻終溫為40~55e,通常為50e。214 切換操作
吸附與進行切換時,降壓與升壓速度宜小于013MPa/min。
目前國內外應用較廣泛,技術較成熟的氣脫水工藝有:低溫分離、固體吸附和溶劑吸收三種方法。而固體吸附法中以分子篩脫水的應用廣泛,技術成熟可靠。
分子篩脫水是一個物理吸附過程。物理吸附主要由范氏引力或擴散力所引起,氣體的吸附類似于氣體的凝聚,一般無選擇性,是可逆過程,吸附熱小,吸附所需的能小,所以吸附速度快,較易達到平衡。
分子篩脫水一般適用于下列場合
a.要求氣水露點低于-40e的場合,例如使用膨脹機的NGL回收裝置的原料氣脫水。
b.同時脫水脫烴以滿足水露點、烴露點銷售要求的烴露點控制裝置，適用于貧的高壓氣的烴露點控制。
c.氣同時脫水和凈化。
d.含H2S的氣脫水,當H2S溶解在甘醇中引起氣的排放問題時。
e.LPG和NGL脫水同時要脫除微量的硫化物(H2S,COS,CS2,硫醇)時。
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